机器人关节传动用精密减速器研究进展
2023-11-14
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第42卷VoL42第6期No.6河南科技学院学报JournalofHenanInstituteofScienceandTechnology2014年12月Dec.2014dot:10.39696.issn.1008—7516.2014.06.012机器人关节传动用精密减速器研究进展吴素珍1,一,陈丹1(1.河南1:=程学院,河南郑州451191;2.大连交通大学,辽宁大连116028)摘要:机器人已广泛应用于汽车、机械加工、电子电气、橡胶及塑料、食品工业等领域,机器人关节传动的主要装置已成为亟待解决的重要课题.阐述了精密齿轮传动的研究现状,介绍了目前较先进的机器人关节用各类减速传动机构的T作原理、结构及特点等,相互比较了各类减速机构的优缺点,得出RV减速器应用前景较好,并就如何提高机器人关节减速器性能提出建议和解决方案.关键词:机器人;精密机械传动;减速器中图分类号:THll3.2+2文献标志码:A文章编号:1008—7516(2014)06—0058—06ResearchprogressonapplicationofprecisiongearreducerinrobotjointtransmissionWuSuzhenl'2,ChenDanl(1.HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China;2.DalianJiaotongUniversity,Dalian116028,China)Abstract:Therobothasbeenwidelyusedinautomobile,machining,electronicsandelectrical,rubberandplastic,foodindustryandotherfields.Robotjointtransmission’Smaindeviceisaddressed.Thecurrentanimportantsubjectwhichurgentlyneedstobeworkingprinciple,structureandresearchstatusofprecisiongeartransmission,thecharacteristicsofmoreadvantagesandadvancedrobotjointwithallkindsgearofgeartransmissionwerealsocomparedandreviewedinthispaper.Theadisadvantagesofallkindsofreducerswerenewkindofrobotjointtransmissionprecisiongearreducer,RVgearreducerwasselected.Weputforwardsuggestionstoandsolutionsforhowimproveperformanceofrobotjointgearreducer.Keywords:robot;precisionmechanicaltransmission;reducer随着科学技术的发展,在机械、航空、汽车工业等领域采用机器人代替人力已是走向高水平工业化的发展方向.机器人技术受到各国政府的高度重视,用于机器人关节传动的主要装置也受到众多研究者的关注.本文将用于机器人关节传动的主要传动装置加以归纳和总结,以方便工业机器人关节传动精密传动减速器的理论研究和使用研究.1国内外精密传动的发展现状目前,精密齿轮传动类型主要有滤波传动、谐波传动、摆线针轮传动、RV传动等.13本、德国、美国、丹麦等国的精密传动研制在材料和制造工艺方面处于国际领先水平[I-31.滤波齿轮传动是由重庆大学梁锡昌、王家序教授发明的一种结构紧凑、体积相对小、大传动比的新型精密传动机构,目前还处于研究阶段【4J.从20世纪50年代起,美国、日本等发达国家就开始进行谐波齿轮传动的研究,其中以USM公司规收稿日期:2014—09—14基金项目:河南省教育厅自然科学基金(12A460002)作者简介:吴素珍(1978一),女,河南濮阳人,博士生,讲师.主要从事现代机械传动研究.58万方数据吴素珍等:机器人关节传动用精密减速器研究进展第6期模最大.我国从20世纪60年代就开始谐波方面的研制工作,但到目前为止国内谐波齿轮的专业生产厂家仍然很少.摆线针轮传动和RV传动是由德国人发明,后来日本人引进并发展壮大的技术.德国、日本等国家关于摆线针轮传动和RV传动研制生产已经形成系列化、批量化p”j.在国内,中国人第一次见到摆线针轮行星传动减速器是20世纪70年代在北京的一次展览会k.由于其具有输入输出同轴性、传动比大、效率高、结构紧凑等特点,引起了不少科研人员的注意.目前我国大连交通大学等院校及研究机构研制的摆线针轮传动和RV传动产品,主要技术性能指标已达到了国际先进水平,但在国际上同日本的最新Rv系列产品还有一定的差距,需要进一步在提高传动精度设计理论和RV减速器批量生产上进行研究.2机器人关节传动用新型减速器2.1滤波齿轮传动滤波齿轮减速器属于NN型少齿差减速器,由偏心减速机构、滤波花键机构、三向止推轴承3大部分组成¨2I.偏心减速机构由内齿轮、钢球、偏心轮、滚动轴承组成;滤波花键机构由钢球、偏心轮、圆柱齿轮和内齿轮组成岬J.滤波减速器实物图和主要零部件如图l所示,传动结构如图2所示.国秒图1滤波减速器【Fihel‘ingge'a!l演l£固定出鸵、轴承曦~钢妹~偏心轴PI图2滤波传动结构Fig.2Structurechartoffiltertransmission滤波齿轮传动传动原理如图3所示.端注:1一输出内齿轮,2、3一圆柱齿轮、,汉二之舌;二,,,昌疋.j齿;:,』』镛o;j.图3滤波齿轮传动传动原理Fig.3Transmissionprinciplediagramoffilteringgearprinciples59万方数据2014年河南科技学院学报(自然科学版)图3中偏心轴日为输入端,齿轮l为输出端,双联齿轮3与固定内齿轮4啮合实现了第l级传动,双联齿轮2、3与输出内齿轮啮合实现了第2级传动.偏心轴的旋转中心与固定内齿轮、输出内齿轮的旋转中心同轴.当通过偏心轴输入转矩时,由于双联齿轮的偏心,及输入齿轮是固定的,双联齿轮2、3一方面绕自身轴线自转,同时还绕偏心轴旋转中心公转,双联齿轮2、3所受两方面的力同时作用于与其啮合的输出内齿轮l,获得输m运动.滤波齿轮传动具有传动精度高、可靠性高、寿命长、传递扭矩大、能耗低、体积小、传动比大,结构相对简单等优点.广泛应用于航天、航空、运载等领域¨3I.2.2谐波齿轮传动谐波齿轮传动是通过柔轮的弹性变形实现运动传递动力的一种的新型传动∽其主要由波发生器、柔轮、刚轮组成.结构外形图如4所示.图4谐波齿轮Fig.4Harmonicgear谐波齿轮传动,当波发生器装入柔轮后,迫使柔轮在长轴处产生径向变形成椭圆状.椭圆的长轴两端。柔轮外齿与刚轮内齿沿全齿高相啮合,短轴两端则处于完全脱开状态,其他各点处于啮合与脱开的过渡阶段.设刚轮固定,波发生器进行逆时针转动,当其长轴转到图示啮人状态处时,柔轮进行了顺时针旋转.当长轴不断旋转时,柔轮相继由啮合转向啮出,由啮出转向脱出,由脱开转向啮人,有啮人转向啮合,从而迫使柔轮进行连续旋转115】.传动原理如图5所示.柔轮,莨j己’斯ii图5谐波传动传动原理Fig.5Transmissionprinciplediagramofharmonicprinciples谐波传动具有运动精度高、传动比大、质量小、体积小、较小的传动惯量等优点,最重要的是能在密闭空间传递运动,这一点是其他任何机械传动无法实现的.其缺点为在谐波齿轮传动中每转柔轮发生2次椭圆变形,极易引起材料的疲劳损坏,损耗功率大,同时其引起的扭转变形角达到20’~30’,甚至更大,受轴承间隙等影响可能引起3'-6’回程误差,不具有自锁功能.谐波传动适用于质量和尺寸受限(如小的机械手关节)、位置精度要求高的场合.如美国的研制60万方数据吴素珍等:机器人关节传动用精密减速器研究进展第6期!豢◆鼠庶、冬注:I一输入轴,2一偏心轴,3一针轮,4一摆线轮,5一输出轴,6一输出机构(W机构).图7摆线针轮行星齿轮传动原理Fig.7Transmissionprinciplesofcycloidpingearplanetary.gear摆线针轮行星传动的特点是单级传动比为6~119,一级传动效率达o.90~0.95.可代替两级普通圆柱齿轮减速器,体积可减少1/2。2,3,质量约减少l/3~l/2.缺点是摆线针轮减速器的机构太复杂,制造、安装精度要求太高,转臂轴承受力大,影响轴承寿命和承载能力12㈦J.摆线针轮行星传动最大传动功率200kW,最高输入转速1械、工程机械等领域I艄11.2.4800r/rain,广泛应用于矿山、化工、起重机RV传动减速器Rv传动是在摆线针轮行星传动的基础上发展起来的一种新型精密传动,属于2K—V行星齿轮传动1321.外形结构如图8所示.61万方数据2014丘河南科技学院学报(自然科学版)图8RV减速器外形结构Fig.8ConfigurationofRVreducerRV传动减速器是--禾ot,2级行星齿轮传动减速机构.第1级减速是通过中心齿轮0与行星齿轮2啮合,按照中心齿轮与行星齿轮的齿数比进行减速.传动过程中如果渐开线中心轮1顺时针转动,那么行星轮2既绕自身轴线逆时针自转,同时绕中心轮轴线公转,第1级传动中的渐开线行星轮2与曲柄轴3连成一体,并通过偏心轴3带动摆线轮4作偏心运动,作为第2级传动部分的输入,第2级减速是摆线轮4与针轮5啮合减速.摆线轮与针轮啮合传动过程中,摆线轮在绕针轮轴线公转的同时,还将反方向自转,即顺时针转动.最后,传动力通过曲柄轴推动行星架输出机构Ja质n寸针方向转动.传动原理如图9所示.一一●注:0一中心轮,1一输入轴,2一渐开线行星轮,3一偏心轴,4一摆线轮,5一针轮,6一输出机构,7一针齿壳.图9RV减速器传动原理Fig.9TransmissionprinciplesofRVreducerRV针摆传动具有传动比范围大,只改变渐开线齿轮的齿数比就可获得很多传动比;传动精度高,传动误差为l’以下,回差误差在1.5’以下;传动机构置于行星架的支承主轴承内,轴向尺寸大大减小;RV齿轮和销同时啮合数多,承载能力大;采用双柱支撑机构,扭转刚性大、振动小,耐冲击性强吼RV传动减速器已很大程度上逐渐取代单纯的摆线针轮传动装置,已广泛应用于机械、航空、汽车工业等领域1㈧5。.3机器人关节传动用各类减速器对比分析结合工业机器人性能、功能要求,各类精密传动减速器的性能指标对比如表1所示…¨41¨吼圳.表1精密减速器性能参数对比Tab.1Contrasttableprecisionreducerperformanceparameters由表l可知,谐波传动是通过柔轮的弹性变形实现运动传递,其弹性变形大,从而在传递载荷时的弹性变形回差也大,这就不可避免地会影响机器人的动态特性、抗冲击能力等,而且其运动精度还会随着62万方数据吴素珍等:机器人关节传动用精密减速器研究进展第6期使用时间增长而显著降低;滤波减速器还处于初级研究阶段;而Rv传动装置运动可靠性、保精度及寿命均高于其他齿轮传动机构,另外RV减速器还具有加一次润滑剂可以使用很长时间、寿命长、刚度好、减速比大、低振动、高精度、传动效率高、保养便利等优点,非常适于在机器人上使用.4结论与讨论目前机器人关节传动装置主要是谐波传动和RV传动.但由于谐波传动装置柔轮的弹性变形引起较大的回差,从而影响工业机器人的定位精度及动态特性,RV针摆传动装置代替谐波传动装置是机器人关节用减速装置的必然趋势.在国外,RV减速器已实现系列化、批量化生产,而我国还处于开发过程中.我国应提高机器人用减速器的制造工艺,注意薪型材料选用,努力实现系列化、批量化生产.另外,今后我国在机器人RV减速器研制方面,应制定合理的零件制造工艺和可以补偿相关零件制造误差的装配工艺;严格控制影响减速器传动准确性、传动平稳性及载荷分布均匀性误差的主要因素,合理控制各公差范围;增强减速器的扭转刚度.需深入系统地研究RV传动装置优化设计理论与制造技术,努力开发新机型,提高我国自有知识产权的RV针摆驱动器的设计水平和性能,减少对国外技术的依赖,提高RV针摆驱动器的国产化技术水平.参考文献:【l】日高照晃,王宏猷,石田武llh'.廿/f夕口/f卜’齿卓老用L、允k-H—V形游星齿卓装置∞回耘傅逵误差c二阴寸否研究(第l鞭解析方法)[J1.13本横械学会谕文集:c编,1994,60(570):645—653.【2】石田武I王加,王宏猷,日高照晃.廿/f夕12/fF齿卓老用o、允k—H—v形游星齿卓装置。回耘傅逵误差c二冈寸否研究(第2鞭各棰加工误差・组立误差加回耘傅逵误差c二及C王亨影警)阴.日本横械学会谕文集:c编,1994,60,(578):278—285.[3】王宏猷C王加,日高照晃,石田武llh、.廿/f夕口/fF齿卓老用o、允k-H—V形游星齿卓装置∞回耘傅逵误差忙阴寸为研究(第3鞭各獯误差I二及;王卞相互影警)m.日本楼械学会谕文集:C编,1994,60,(578):286—293.[4】梁锡吕,王家序.滤波减速器:中国,200510057123.x【P】.2005—06—16.[5】【jLX,WangXQ,HeWD.OptimumdesingofHigh—speedrailwaylocomotivetraetiongear【J]_ChineseJournalofMechanicalEngineering,1996,9(4):278-285.[6]李力行,潜媛梅,任喜岩,等.ZD6型电动转辙机可靠性研究阴.大连铁道学院学报,1996(4):1-6.【7】LiLX,WangXQ,HeWD.OptimumdesingofHigh—reliabihtyHigh-speedrailwaylocomotivetractiongear[C】,/lzhevsk,Russia:齿轮传动理论与技术国际会议,1996,12:433-438.【8】许洪基,陶燕光.摆线针轮行星传动[M]/I机械工程手册电机工程手册编辑委员会.机械工程手册.2版.北京:机械工业出版社,1997:265.【9】何卫东,李欣,李力行.机器人用高精度RV摆线轮修形对回差影响的研究【J】.机械传动,1999(1):60-66.【10】李力行,何卫东,王秀琦,等.机器人用高精度RV传动的研究叨.大连铁道学院学报,1999(2):1-5.【ll】李力行,何卫东,王秀琦.机器人用高精度Rv传动研究【cy/中国机械工程:国家自然科学基金委员会工程与材料科学部机械学科成果选集,1999,9(9):1001—1002.【12】官浩,王家序,石珍,等.基于Romax的滤波减速器齿轮修形叨.机械设计与研究,2013(6):28—31.【13】袁同兴,王家序,肖科,等.偏心误差对滤波减速器传动误差的影响研究叨.机械科学与技术,2013(2):252-256.【14】李奉生.基于PrO/Toolkit的谐波减速器CAD/CAM系统的研究与开发【D】.天津:天津大学,2006.【15】张奎.摆线二次包络封闭式行星传动研究【D】.重庆:重庆大学,2010.[16】机械设计手册编委会.机械传动设计手册:第3卷[M】.北京:机械工业出版社,2004:82—182.【17】何卫东,李力行,徐永贤,等扁精度RV传动的受力分析及传动效率田.机械工程学报,1996,7(3):60—67.[18】李力行,何卫,王秀琦,等.机器人用高精度Rv传动的研究【J】.大连铁道学院学报,1999(6):1-l1.[19】何卫东,李力行.Rv传动的效率及其受力分析叨.大连铁道学院学报,1992(4):73—81.【20】刘呜熙.摆线针轮传动与小型RV减速器的研究【D】.北京:北京交通大学,2008.【21】李力行,何卫东,李欣,等.动轴轮系齿轮传动设计[My,朱孝录.齿轮传动设计手册.北京:化学工业出版社,2004:656—902.【22]李力行,洪淳赫.通用的摆线轮齿形方程式阴.齿轮,1980(2):11-15.(下转第67页)63万方数据赵小静等:金电极的制备和特性研究参考文献:【1】Fortunato第6期E,BarquinhaP,PimentelA,etoi.RecentadvancesinZnOtransparentthinfilmtransistorsI叨.ThinSolidFilms,2005,487(1/2):205—211.【2】ShaoW,MaRI,LiuB.FabricationandpropertiesofZAOpowder。sputteringtargetmaterialsandtherelatedfilms[J1.JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing,2006,13(4):346—349.panels叨.MaterialaScienceand【3】ChenM,PeiZI,SunC,eta1.ZAO:anattractivepotentialsubstituteforITOinflatdisplayEngineeringB,2001,85(2/3):212—217.14】Zimmermannreel—t0一reelB,GlatthaarM,NiggenannM,eta1.ITOfreewrapthroughorganicsolarcells—Amoduleconceptforcost—efficientEnergyMaterproduction[J].SolarSolarCeils,2007,91:374.as[5】LagemaatJ,BamesTelectrode[J].Appl【6】LeeJY,Connor【7】O’ConnorM,RumblesG,et01.OrganicsolarceUswithacarbonnanotubesreplacingIn203:SnthetransparentPhysLett.,2006,88:233503.ST,CuiY,et01.Solution-processedmetalnanowiremeshtransparentelectrodes[J].NanoLett.,2008,8:689.B,AnKH,PipeaKP,et01.EnhancedopticalfieldintensitydistributioninorganicphotovohanicdevicesusingexternalPhysLett.,2006,89:233502.coatings[J].Appl[81熊传溪,闻获江.聚合物基导电复合材料的导电机理【J】.玻璃钢,复合材料,1998,5:36—38.【9】9姜得生,余海湖,周灵德.自组装金纳米粒子薄膜AFM研究【J】.电子显微学报,2004(2):177—182.(责任编辑:卢奇)(上接第63页)[23】李力行.摆线针轮行星传动的齿形修正及受力分析田.机械工程学报,1986(1):35—39.【24】李力行,关天民,王子孚.大型摆线针轮行星传动的合理结构和齿形叨.机械工程学报,1988(3):26—31.【25】“LX.Thecomputeraideddesignofcycloiddrive[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,1990,3(2):221—231.【261.李力行,王子孚,刘银远,等.摆线针轮行星传动的计算机辅助设计【J】.大连铁道学院学报,1992(1):23—34.【27】何卫东,李力行,关天民,等.摆线针轮减速机的逻辑诊断与故障树分析m.大连铁道学院学报,1994(2):64—68.【28】李力行,何卫东,李欣.摆线针轮传动[M∥现代机械传动手册编辑委员会.现代机械传动手册.北京:机械丁业出版社,1995:315—337.【29】李力行.nenewoptimumtoothprofileofthecycloidalgearandthecomputeraideddesignofcycloiddrive[C].米兰:IFTOMM第九届机器理论与机构学世界大会,1995:355—359.【30】李力行.为国争光,赶超世界先进——摆线针轮传动优化新齿形与CAD软件达国际先进水平【c].北京:科学基金10周年科研成果交流会。1995:8-71.【31】李力行,关天民.承载能力新型摆线针轮行星传动可靠性试验的研究叨.大连铁道学院学报,1996(3):47—51.【32】李力行.轮系[M]//徐灏.机械设计手册.2版.北京:机械工业出版社,2000:1-187.[33】何卫东,李力行.徐永贤,等.高精度RV传动的受力分析及传动效率叨.机械工程学报,2000(4):104—110.【34】何卫东,李力行,李欣.机器人用高精度RV减速器中摆线轮的优化新齿形叨.机械工程学报,2000(3):5l一55.【35】陈兵奎,谭磊.摆线包络行星传动接触优先元分析及系统开发[J】.机械强度,2013,35(3):366—371.【36】关天民.FA型摆线针轮行星传动齿形优化方法与相关理论的研究【D】.大连:大连交通大学,2005.(责任编辑:卢奇)67万方数据机器人关节传动用精密减速器研究进展
作者:
作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
吴素珍, 陈丹, Wu Suzhen, Chen Dan
吴素珍,Wu Suzhen(河南工程学院,河南郑州451191;大连交通大学,辽宁大连116028), 陈丹,Chen Dan(河南工程学院,河南郑州,451191)
河南科技学院学报(自然科学版)
Journal of Henan Institute of Science and Technology(Natural Sciences Edition)2014,42(6)
版) 2014(6)
引用本文格式:吴素珍.陈丹.Wu Suzhen.Chen Dan 机器人关节传动用精密减速器研究进展[期刊论文]-河南科技学院学报(自然科学